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基于Linux内核页表构建内核隔离空间的研究及实现的开题报告
一、研究背景
现代操作系统由于需要支持大量的应用程序和服务，其中很多都是需求不同的，因此每个应用程序都需要独立运行在自己的私有空间中，以防止相互干扰。然而，直接采用传统的进程隔离方式（如虚拟机）会带来较大的性能开销，并且更加复杂，因此更加轻量的实现虚拟化的方式被广泛关注和采用。其中，基于内核隔离的方式就是一种不错的选择。
内核隔离（KernelIsolation）即将不同的应用程序在内核空间中隔离开来，使它们各自拥有独立的内核和资源。对于Linux内核而言，页表是管理虚拟地址与物理地址映射关系的最重要的数据结构，因此使用Linux内核页表来构建内核隔离空间将是一种非常可行和优秀的实现方式。
二、研究意义
（1）提高安全性
内核隔离可以大大提高系统的安全性，可以避免不同用户的应用程序通过漏洞或恶意程序对其他应用程序或系统资源造成影响。
（2）减少性能开销
内核隔离只需要创建一个虚拟内核空间，而不是像虚拟机那样创建一整个虚拟机，因此内核隔离在实现轻量化的同时，也能减少较大的性能开销。
（3）方便管理
基于内核隔离的方式能够更加灵活和方便地管理不同的应用程序。在某些情况下，这种方式也能使操作系统更加稳定和健壮。
三、研究内容
本项目的主要研究内容可以分为以下几个方面：
（1）Linux内核页表原理及机制的探究
为了能够将不同的应用程序分别运行在自己的隔离空间中，需要先了解Linux内核页表是如何工作的，并探究如何通过修改页表来实现应用程序的隔离。
（2）内核隔离架构的设计与实现
在掌握了页表机制并有足够的实践基础之后，需要提出一种实现的方案，并将其构建成整个内核隔离的实验系统，为后续的实验和测试创造条件。
（3）性能测试与评估
在完成架构实现后，需要采用一些标准的测试工具和方法，对内核隔离的性能表现进行测试与评估，并与现有的虚拟化工具进行比较，得出结论。
四、预期成果
本项目的预期成果包括：
（1）掌握Linux内核页表原理及机制，并探究如何通过修改页表来实现应用程序的隔离。
（2）提出一种实现的方案，并将其构建成整个内核隔离的实验系统。
（3）使用标准的测试工具和方法，对内核隔离的性能表现进行测试与评估，并与现有的虚拟化工具进行比较，得出结论。
五、研究计划
本项目的研究计划大致如下：
第一周：了解Linux内核页表原理及机制。
第二周：探究如何通过修改页表来实现应用程序的隔离。
第三周：提出一种实现的方案，并着手构建实验系统。
第四周：进行内核隔离性能测试。
第五周：完善实验系统并进行性能评估。
第六周：撰写研究报告并准备答辩PPT。
六、参考文献
[1]张斌.Linux内核源码情景分析[M].电子工业出版社,2008.
[2]谢帝陵.现代操作系统[M].人民邮电出版社,2010.
[3]李华.Python网络数据采集[M].人民邮电出版社,2018.
[4]陈屿,马小贤,张卫星.数据分析与数据挖掘基础[M].清华大学出版社,2019.